Wässrige reinigung Special

Die Charakteristika von Kleinstbauteilen zeigen sich anhand ihrer Materialien, der geometrischen Eigenschaften sowie der Prozesse, die zu ihrer Herstellung eingesetzt werden. Häufig handelt es sich dabei um Laser- oder Ätz-, gelegentlich auch um klas-sische Zerspanungs- oder Stanzprozesse. Ätzprozesse sind in der Regel rückstands-frei, während die anderen Vorbehandlungen jeweils ihre eigene Kontamination mit sich bringen. Zerspanungs- und Stanzrückstände sind Späne, Grate sowie in die Oberfläche eingearbeitete organische Reste. Laser-behandelte Teile weisen geometriebeein- flussende Schmauchablagerungen auf.

Hat man es beim Vorprozess mit einem Beschichtungsverfahren zu tun, kann es aufgrund der Oberfläche – und nicht etwa durch die dadurch verursachten Verschmu-tzungen – zu Schwierigkeiten wie etwa Be-schädigungen der Beschichtung durch den waschmechanischen Prozess kommen, die erheblichen Einfluss auf die Endreinigung

Mini, Micro und komplexReinigung von empfindlichen Kleinbauteilen mit komplexen Geometrien

Die Fein- und Feinstreinigung von kleinen und kleinsten Bauteilen

mit komplexen Geometrien oder hoher Packungsdichte stellt eine

Herausforderung für die industrielle Reinigungstechnik dar. Hier ist die

Zyklische Nukleation ein interessantes Verfahren, da es gerade in den

bisher kritischen Bereichen sehr effektiv wirksam sein kann.

Mechanische Bauteile, hier ein Uhrenzahnrad (A) mit einer beweglichen Scheibe (B)

und einem Haltebolzen (C), sind bedingt durch ihre Geometrie nur bedingt für eine

Ultraschallreinigung geeignet.

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nehmen. Ultraschall kann hier zum Bei-spiel destruktiv wirken. Grundsätzlich un-terscheiden sich die Verunreinigungen also nicht von jenen, die in anderen Prozessen entstehen und zu entfernen sind. Allerdings liegt der Unterschied in der Bauteilgröße, den feinen empfindlichen Geometrien sowie in den Reinheitsanforderungen, die durch die gewünschten Einsatzgebiete – zum Beispiel mechanische Abläufe – oder die Folgeprozesse – zum Beispiel Beschichten – bestimmt werden.

Bei Mikrokomponenten sind Beschä-digungen und/oder Formveränderungen beim begleitenden Handling oder durch die eigentlichen Reinigungsprozesse nicht selten. Geometrisch sind diese Kleinst-bauteile zudem häufig so gestaltet, dass kleine Bohrungen oder andere kapilla-re Strukturen das Erscheinungsbild prä-gen und dadurch besondere Herausfor-derungen in der industriellen Reinigung bedingen.

Aufgabenstellung an das eigentliche Reinigungsverfahren

Das eingesetzte Reinigungsverfahren darf weder direkt noch indirekt zu einer Beschä-digung oder Verformung des Bauteils oder der Oberfläche respektive einer möglichen Beschichtung führen. Es sollte unmittelbar auf der Grenzschicht des Bauteils wirken und auch in verdeckten Bereichen, seine waschmechanischen Fähigkeiten entfalten. Zusätzlich sollte es den Medienfluss und somit den Transport der Reinigungschemie an die Einsatzstelle sowie den Abtransport der gelösten Verunreinigungen unterstüt-zen – und auch bei hoher Packungsdichte einen gleichbleibenden Reinigungsprozess erlauben. Stand der Technik sind häufig Ultra-/Megaschall-Reinigungsverfahren

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auf wässriger oder Lösemittelbasis. Die-se sind dann wirksam und erfolgreich, wenn die Bauteile während dem Behand-lungsprozess so angeordnet sind, dass der Schall die gesamte Oberfläche erreicht. Außerdem darf der Ultraschall weder das Grundmaterial noch seine Beschichtung beschädigen. Außerdem muss der Medien-fluss direkt auf der Grenzschicht des Bau-teils – also der akustische Strom – so stark sein, dass die gelöste Verunreinigung von der Bauteiloberfläche angehoben und dem Medienstrom zugeführt wird.

Limitiert ist dieses waschmechanische Verfahren durch die potenzielle Fähigkeit, die Oberflächen zu beschädigen sowie durch die Notwendigkeit, die Packungs-dichte von Bauteilen auf die Frequenz des Ultraschalls anzupassen. Zudem ist die Wir-kung des Schalls in Bohrungen und anderen kapillaren Strukturen, bedingt durch seine

physikalischen Eigenschaften, nicht mehr gegeben.

Eine effiziente Alternative oder Ergän-zung stellt die Zyklische Nukleation (CNp) dar. Dieses im Vakuum arbeitende Sys-tem kennzeichnet sich durch seine wasch-mechanische Wirkung auf der gesamten Bauteiloberfläche aus und dringt auch in verdeckte Geometrien, Kapillare und Ab-schattungen ein, die mit dem Reinigungs-medium in direkter Verbindung stehen. Außerdem führt es zu einem verfahrens-bedingten Medienstrom unmittelbar auf der Bauteiloberfläche. Zudem haben um-fangreiche Versuchsreihen aufgezeigt, dass selbst bei empfindliche Beschichtungen in Verbindung mit hohen Feinstreinigungs- anforderungen durch den Reinigungs-prozess keine Beschädigungen an der Beschichtung oder der Bauteiloberfläche vorkommen.

Der geeignete Prozess

Wie bei allen Feinstreinigungsverfahren erfolgen üblicherweise zunächst die Vorrei-nigungsabläufe, wenn erforderlich, im Rah-men von räumlich getrennten Zwischenreini-gungsprozessen. Bedingt durch die Risiken der Kreuzkontamination mit vor-/nachgela-gerten Prozessen, Handlings- oder Umge-bungseinflüssen müssen die Umgebungspa-rameter, in Abhängigkeit zum gewünschten Sauberkeitswert, klar definiert und kontrol-liert werden. In Bezug auf die Anlagentech-nik bedeutet dies eine hohe Gewichtung der mechanischen und verfahrenstechnischen Ausführung sowie der Medien-Qualität. Außerdem gilt es gegebenenfalls, Verunrei-nigungen durch verfahrenstechnische und mechanische Komponenten – dazu gehört partikulärer und filmischer Schmutzein-trag durch Ventile, Drehbewegungen oder

Leitungen mit kapillaren Strukturen, beispielsweise in der Flüssigkeitsanalytik, weisen gerade im Innenbereich sehr hohe Sauberkeitsanforderungen auf.

Reinigung eines Sintermetallfilters: hier entfaltet das CNp-Verfahren durch die Medienflussunterstützung (asymmetrischer Volumenstrom) seine volle Stärke. Die Säulengrafik zeigt, dass in diesem Beispiel der Restölgehalt unter einem Drittel eines normalen Ultraschallprozesses liegt.

Durch diese kleinen Öffnungen ist in Bezug auf partikuläre und filmische Kontaminiationen eine ausreichende Reinigung zu gewährleisten.

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Toträume – zu vermeiden. Daher müssen die üblichen Medien-Kreislaufsysteme kri-tisch hinterfragt werden. Das gilt nicht nur für die Reinigungs- und Spülabläufe, unter denselben Kriterien ist auch die Auswahl der geeigneten Trocknungsverfahren zu betrachten.

Sonderverfahren für sub-µm-Anwendungen

Sonderverfahren der Feinstreinigung sind schwerpunktmäßig an der Beseitigung von Kontaminationen mit Partikel- oder Struk-turgröße im sub-µm-Bereich orientiert, die jene unerwünschten Substanzen oder Mate-rialstrukturen entfernen, die beispielsweise die Rauigkeit, Benetzungseigenschaften, chemischen, elektrischen oder optischen Ei-genschaften von Oberflächen unerwünscht verändern. Hierbei handelt es sich dann um physikalische oder physikalische/chemische Verfahren, etwa mittels Plasmaätzen, La-serabtrag, Elektropolieren und CO2-Granu-latstrahlen, sofern die Struktur des Bauteils diese zulässt.Beispielhaft für dieses Aufgabengebiet ist etwa die Reinigung mechanischer Kom-ponenten wie Wellen und Zahnräder für die Uhrenindustrie. Im dargestellten Fall geht es um die Reinigung von kritischen Zwischenräumen an einem zweiteiligen Zahnrad mit einem Durchmesser von 4 mm. Bisher wurden diese Bauteile mittels Ultraschallreinigungs- und Spülverfahren gereinigt und über Warmluft getrocknet. Die Sauberkeitsanforderungen lagen bei maxi-mal einem Partikel der Größe 25 µm/1cm². Nicht erwünschte Rückstände von Kohlen-stoffverbindungen werden über eine Rest-gasanalyse geprüft, hier liegt die Forderung bei maximal 2,3*10-13 A.

Um die waschmechanischen Eigenschaf-ten des Ultraschalls nicht zu beeinträchtigen, waren die Komponenten seither nur einlagig reinigbar. Bedingt durch die geringe Mate-rialstärke wirkt Ultraschall, wenngleich re-duziert, mit seiner Kavitation auch in den Zwischenräumen. Mehrstufige Spülprozesse mit drei bis vier Ultraschallspülen sorgen nach den ein bis zwei Reinigungsprozessen

für den Medienaustausch zur Reduzierung der Schmutzfracht sowie der Beseitigung der Reinigerrückstände.

Durch die Zyklische Nukleation (CNp) konnten die Zahnräder nun mehrlagig in einem insgesamt dreistufigen Reinigungs-/Spülprozess behandelt werden. Neben der leicht kavitätischen Wirkweise zeigte sich auf der gesamten Bauteiloberfläche und ge-rade in den kapillaren Bereichen ein konti-nuierlicher Medienfluss.

Fazit

Mikrobauteile sind sensibel und häufig durch ihre Materialstärken oder Oberflächencha-rakteristik sehr beschädigungsempfindlich. Daraus resultieren bei den gängigen Rei-nigungsverfahren, insbesondere bei Teilen mit Mikrostrukturen/Kapillaren, erhebliche Limitierungen bei der Packungsdichte. Des Weiteren ist der Einsatz von mehreren

Reinigungs- und Spülbädern nötig. Eindeu-tige Schwäche ist der sehr eingeschränkte Medienfluss in den kritischen Bereichen. Die Zyklische Nukleation (CNp) bietet hier neue Möglichkeiten: Die Kavitation wirkt auf der gesamten Oberfläche – selbst bei dicht gepackter Ware, der Medienfluss ist kontinuierlich, auch in verdeckten und ka-pillaren Bereichen. So steht einem sicheren Reinigungsprozess mit einer reduzierten Anzahl von Bädern nichts mehr im Wege. Darüber hinaus ist die direkte Kombina- tion mit Ultraschallverfahren, um Beispiel bei der Abreinigung von Oxidrückständen nach einer Laserbearbeitung, zweckmäßig. Welches Verfahren schlussendlich, gege-benenfalls auch in Kombination, geeignet ist, lässt sich in realitätsnahen Versuchen problemlos feststellen.

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